WO2022224470A1 - 共振子 - Google Patents

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WO2022224470A1
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crystal
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acoustic velocity
resonator
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俊雄 西村
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株式会社村田製作所
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    • H03H9/25—Constructional features of resonators using surface acoustic waves

Definitions

  • the present invention relates to resonators.
  • SAW surface acoustic wave
  • Patent Document 1 discloses a surface acoustic wave device that includes a piezoelectric substrate and an IDT provided on the piezoelectric substrate and uses an SH wave as an excitation wave, in which a groove is formed in the space between the electrode fingers of the IDT. discloses a surface acoustic wave device with an improved Q value.
  • Patent Document 2 discloses an elastic wave device including a high acoustic velocity support substrate, a piezoelectric film, and an IDT electrode. There is disclosed an elastic wave device in which a low acoustic velocity film having a film thickness in the range of 0.5 ⁇ is provided between a high acoustic velocity support substrate and a piezoelectric film to improve the Q value.
  • Patent Document 3 discloses a surface acoustic wave device in which a crystal layer, an amorphous silicon oxide layer, a piezoelectric layer, and a comb-shaped electrode are laminated in order, and the thickness of the amorphous silicon oxide layer and the thickness of the piezoelectric layer are set to appropriate values.
  • a surface acoustic wave device is disclosed which is intended to improve frequency temperature characteristics and other characteristics.
  • the present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to provide a resonator that is excellent in frequency-temperature characteristics or resonance characteristics.
  • a resonator includes: a piezoelectric layer having first and second surfaces facing each other; an IDT electrode provided on the side of the first surface of the piezoelectric layer; a high acoustic velocity substrate provided on the side of the second surface of the piezoelectric layer; with The piezoelectric layer is made of crystal with a cut angle in which a plane perpendicular to the crystal Y axis is rotated around the crystal X axis, In a propagation direction that is 90° ⁇ 10° with respect to the crystal X-axis of the piezoelectric layer, the sound velocity of the high-sonic substrate is faster than the sound velocity of the piezoelectric layer,
  • the IDT electrode has a comb-shaped electrode having a plurality of electrode fingers aligned in the propagation direction.
  • FIG. 1 is a plan view schematically showing the configuration of a resonator in one embodiment
  • FIG. FIG. 2 is a cross-sectional view schematically showing the configuration of the resonator shown in FIG. 1; 2 is a diagram for explaining the crystal axis direction of the piezoelectric layer shown in FIG. 1;
  • FIG. FIG. 10 is a cross-sectional view schematically showing the configuration of a resonator in a modified example;
  • FIG. 10 is a cross-sectional view schematically showing the configuration of a resonator in a modified example;
  • 4 is a graph showing the relationship between the rotation angle of the piezoelectric layer and the speed of sound in the first example.
  • 5 is a graph showing the relationship between the rotation angle of the piezoelectric layer and the electromechanical coupling coefficient of the first example; 4 is a graph showing the relationship between the rotation angle of the piezoelectric layer and the Q value of the first example. 4 is a graph showing the relationship between the rotation angle of the piezoelectric layer and the primary frequency temperature coefficient of the first example. 5 is a graph showing the relationship between the rotation angle of the piezoelectric layer and the secondary frequency temperature coefficient of the first example.
  • 4 is a graph showing the relationship between the rotation angle of the piezoelectric layer and the third-order frequency temperature coefficient of the first embodiment; 4 is a graph showing frequency temperature characteristics of the first embodiment; 5 is a graph for explaining the effect of the sound velocity of the high sonic substrate of the first example on the Q value.
  • 8 is a graph showing the relationship between the rotation angle of the piezoelectric layer and the speed of sound in the second example. 7 is a graph showing the relationship between the rotation angle of the piezoelectric layer and the electromechanical coupling coefficient of the second embodiment; 9 is a graph showing the relationship between the rotation angle of the piezoelectric layer and the Q value of the second example.
  • 10 is a graph showing the relationship between the rotation angle of the high acoustic velocity substrate and the electromechanical coupling coefficient of the third example. It is a graph which shows the rotation angle of the high-sonic-velocity board
  • FIG. 1 is a plan view schematically showing the configuration of a resonator in one embodiment.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view schematically showing the structure of the resonator shown in FIG.
  • FIG. 3 is a diagram for explaining crystal axis directions of the piezoelectric layer shown in FIG.
  • the resonator 10 is a type of SAW resonator, and is an STW (Surface Transverse Wave) element that guides SSBW (Surface Skimming Bulk Wave). As shown in FIGS. 1 and 2, the resonator 10 includes a high acoustic velocity substrate 1, a low acoustic velocity layer 3, a piezoelectric layer 5, an IDT (Inter Digital Transducer) electrode 7, and a pair of reflectors 9. there is
  • the high acoustic velocity substrate 1 is a substrate that can suppress the vibration energy of the piezoelectric layer 5 from leaking as a bulk wave and reducing the Q value.
  • the high-sonic-velocity substrate 1 is, for example, a single-layer substrate in which the speed of sound (propagation speed of elastic waves) in the propagation direction PD is faster than the speed of sound in the propagation direction PD of the piezoelectric layer 5, as shown in FIG. .
  • the speed of sound in the propagation direction PD is also simply referred to as the "speed of sound”.
  • the sound velocity of the high-sonic-velocity substrate 1 is preferably 10% or more, more preferably 20% or more, and even more preferably 40% or more than the sound velocity of the piezoelectric layer 5 .
  • the high acoustic velocity substrate 1 is made of silicon single crystal, for example, but is not limited to this.
  • the high acoustic velocity substrate 1 is made of, for example, one of simple silicon (amorphous silicon, polycrystalline silicon, etc.), silicon compounds (silicon oxide, silicon nitride, silicon carbide, etc.), and aluminum compounds (aluminum nitride, aluminum oxide, etc.). may be formed.
  • the piezoelectric layer 5 is made of quartz crystal.
  • the sonic board 1 may also be made of quartz. In this case, the high acoustic velocity substrate 1 and the piezoelectric layer 5 may be made of quartz having different cut angles.
  • the crystal of the piezoelectric layer 5 is a BT cut described later, and is provided so that the crystal X axis is 90° ⁇ 10° with respect to the propagation direction PD, and the crystal of the high acoustic velocity substrate 1 is described later. It may be an AT cut, and may be provided so that the crystal X-axis is 90° ⁇ 10° with respect to the propagation direction PD.
  • the cut angle of the crystal forming the high acoustic velocity substrate 1 is not limited to the above as long as the sound velocity of the high acoustic velocity substrate 1 is sufficiently faster than the sound velocity of the piezoelectric layer 5 in the propagation direction PD.
  • the high acoustic velocity substrate 1 may be formed of crystal with a cut angle in which the plane orthogonal to the crystal Y axis is rotated counterclockwise in the range of 0° or more and 60° or less when viewed from the positive direction of the crystal X axis. good.
  • the high acoustic velocity substrate is not limited to the single layer structure shown in FIG. 2, and may have a multilayer structure.
  • the high sonic velocity substrate has a multilayer structure, if the sound velocity of the layer closest to the piezoelectric layer 5 in this multilayer structure is faster than the sound velocity of the piezoelectric layer 5, the sound velocity of the other layers of this multilayer structure is the sound velocity of the piezoelectric layer 5. It may be below. It is desirable that the layer closest to the piezoelectric layer 5 in the high sonic substrate having a multilayer structure has the same sonic speed as the high sonic substrate 1 described above, and is made of the same material as the high sonic substrate 1 described above. preferably
  • the high acoustic velocity substrate 1 preferably has mechanical strength capable of supporting a laminated structure including the low acoustic velocity layer 3 , the piezoelectric layer 5 , the IDT electrode 7 and the reflector 9 . Therefore, when the wavelength of the elastic wave is ⁇ , the thickness T1 of the high acoustic velocity substrate 1 is desirably 50 ⁇ or more, more desirably 100 ⁇ or more, and even more desirably 500 ⁇ or more.
  • the low sound velocity layer 3 is a layer for confining vibration energy, which has the property of concentrating in a low sound velocity medium, and suppressing leakage of the vibration energy from the piezoelectric layer 5 to the high sound velocity substrate 1 .
  • the low sound velocity layer 3 is a layer in which the sound velocity in the propagation direction PD is equal to or lower than the sound velocity in the propagation direction PD of the piezoelectric layer 5 .
  • the low acoustic velocity layer 3 is laminated directly on the high acoustic velocity substrate 1 .
  • Direct lamination is realized, for example, by direct bonding such as diffusion bonding or room temperature bonding, or direct film formation by PVD, CVD, or the like. At the boundaries between members in direct lamination, the composition ratio may change abruptly or gradually. The same applies to direct lamination on other layers and substrates.
  • the low sound velocity layer 3 is made of, for example, silicon oxide, which can improve the frequency temperature characteristics due to the temperature compensation effect.
  • the material of the low sound velocity layer 3 is not limited to silicon oxide, and may be formed of, for example, silicon oxynitride, tantalum oxide, or a compound obtained by adding fluorine, carbon, or boron to these.
  • the thickness T3 of the low sound velocity layer 3 is desirably set in the range of 0.01 ⁇ or more and 2.0 ⁇ or less, and more preferably set in the range of 0.1 ⁇ or more and 0.5 ⁇ or less. By setting the thickness T3 in the range of 2.0 ⁇ or less, the electromechanical coupling coefficient can be easily adjusted. Moreover, by setting the thickness T3 in the range of 0.01 ⁇ or more, leakage of vibration energy from the piezoelectric layer 5 can be sufficiently suppressed. Moreover, from the viewpoint of reducing warping of the resonator 10 due to the stress of the low sound velocity layer 3, the thickness T3 of the low sound velocity layer 3 is preferably 1/100 or less of the thickness T1 of the high sound velocity substrate 1. FIG. Note that the low sound velocity layer 3 may be omitted. That is, the piezoelectric layer 5 and the high acoustic velocity substrate 1 may be directly laminated.
  • the piezoelectric layer 5 is a layer that mutually converts electrical vibration energy and mechanical vibration energy and propagates the mechanical vibration energy as SSBW.
  • the piezoelectric layer 5 is laminated directly on the sound velocity layer 3 .
  • the piezoelectric layer 5 is made of crystal (rotated Y-cut crystal substrate) with a cut angle obtained by rotating a plane orthogonal to the crystal Y-axis about the crystal X-axis at a rotation angle ⁇ 1.
  • the piezoelectric layer 5 is provided so that the direction of 90° ⁇ 10° with respect to the crystal X-axis is the propagation direction PD.
  • the propagation direction PD is the direction along the Z'-axis obtained by rotating the crystal Z-axis around the crystal X-axis at the rotation angle ⁇ 1.
  • the rotation angle ⁇ 1 is positive (+) when viewed from the positive direction of the X axis of the crystal (from the front side to the back of the page of FIG. 3), negative (-) when clockwise, and 0. include.
  • the cut angles of the crystal are represented by Euler angles, they are (0°, ⁇ 1+90°, 90° ⁇ 10°).
  • the thickness T5 of the piezoelectric layer 5 is preferably set in the range of 0.02 ⁇ or more and 1.0 ⁇ or less, more preferably set in the range of 0.05 ⁇ or more and 0.5 ⁇ or less, and more preferably 0.1 ⁇ or more and 0.5 ⁇ or less. It is more desirable to set it in the range of 0.5 ⁇ or less. According to this, the electromechanical coupling coefficient can be easily adjusted in a wide range. Moreover, from the viewpoint of suppressing leakage of vibration energy from the piezoelectric layer 5, the thickness T5 of the piezoelectric layer 5 is preferably 1/100 or less of the thickness T1 of the high acoustic velocity substrate 1. FIG.
  • the IDT electrode 7 is a comb-shaped electrode.
  • the IDT electrode 7 has a pair of busbars 7a and a plurality of electrode fingers 7b.
  • the pair of bus bars 7a extend along the propagation direction PD and are arranged so as to be spaced apart from each other in a direction orthogonal to the propagation direction PD.
  • the plurality of electrode fingers 7b extend in a direction perpendicular to the propagation direction PD from each of the pair of busbars 7a and are arranged along the propagation direction PD.
  • a plurality of electrode fingers 7b extending from one bus bar 7a and a plurality of electrode fingers 7b extending from the other bus bar 7a are alternately arranged along the propagation direction PD.
  • the plurality of electrode fingers 7b extend in the crystal X-axis direction and rotate the crystal Z-axis about the crystal X-axis at a rotation angle ⁇ 1. are arranged along the Z'-axis direction.
  • the electrode period of the electrode fingers 7b determines the wavelength ⁇ of the elastic wave.
  • the edges on the ⁇ Z′-axis direction of two adjacent electrode fingers 7b electrically connected to each other are spaced apart in the Z′-axis direction by a distance ⁇ .
  • a pair of reflectors 9 are grating reflectors for reflecting SAW and improving the Q value.
  • a pair of reflectors 9 are arranged so as to sandwich the IDT electrode 7 in the propagation direction PD.
  • Each of the pair of reflectors 9 includes a pair of reflector busbars 9a each extending along the propagation direction PD and arranged so as to be spaced apart in directions orthogonal to the propagation direction PD. and arranged in the propagation direction PD.
  • the IDT electrode 7 and reflector 9 are provided on the piezoelectric layer 5 .
  • the IDT electrode 7 and the reflector 9 are made of, for example, a metal containing aluminum as a main component, but are not limited to this.
  • the IDT electrode 7 and reflector 9 may be made of, for example, copper, platinum, gold, silver, titanium, nickel, chromium, molybdenum, tungsten, or an alloy containing any of these metals as a main component.
  • the thickness T7 of the IDT electrode 7 and the reflector 9 is preferably set in the range of 0.01 ⁇ or more and 0.2 ⁇ or less, more preferably set in the range of 0.02 ⁇ or more and 0.15 ⁇ or less. More preferably, it is set in the range of 0.04 ⁇ or more and 1.0 ⁇ or less.
  • FIG. 4 and 5 are cross-sectional views schematically showing the configuration of a resonator in one modified example.
  • the high acoustic velocity substrate 1 and the piezoelectric layer 5 of the resonator 20 may be laminated directly on each other.
  • the sound velocity of the high sound velocity substrate 1 since the low sound velocity layer is omitted, in order to suppress the leakage of vibration energy from the piezoelectric layer 5 to the high sound velocity substrate 1, the sound velocity of the high sound velocity substrate 1 must be 20% lower than the sound velocity of the piezoelectric layer 5. % or more is desirable.
  • the high acoustic velocity substrate 31 of the resonator 30 may have a supporting substrate 31a and a high acoustic velocity layer 31b laminated on the supporting substrate 31a.
  • the high sound velocity layer 31b is, for example, directly laminated on the support substrate 31a, but is not limited to this, and may be laminated via a bonding member such as an adhesive.
  • the material of the supporting substrate 31a is not limited as long as it can support the laminated structure including the high acoustic velocity layer 31b, the low acoustic velocity layer 3, the piezoelectric layer 5, the IDT electrode 7 and the reflector 9.
  • the support substrate 31a may be made of a piezoelectric material such as sapphire, lithium tantalate, lithium niobate, quartz crystal, alumina, magnesia, silicon nitride, aluminum nitride, silicon carbide, zirconia, cordierite, mullite, steatite, forsterite, or the like. It can be formed from various ceramics, dielectrics such as glass, semiconductors such as silicon and gallium nitride, and resin substrates.
  • the high acoustic velocity layer 31b is provided between the support substrate 31a and the low acoustic velocity layer 3.
  • the high acoustic velocity layer 31 b has a higher acoustic velocity in the propagation direction PD than the acoustic velocity in the propagation direction PD of the piezoelectric layer 5 .
  • the high acoustic velocity layer 31 b can be made of the same material as the high acoustic velocity substrate 1 . Leakage of vibration energy from the piezoelectric layer 5 can be suppressed as the thickness of the high sound velocity layer 31b increases. Therefore, the thickness of the high sound velocity layer 31b is desirably 0.5 ⁇ or more, and more desirably 1.5 ⁇ or more. However, from the viewpoint of manufacturability, the thickness of the high acoustic velocity layer 31b is preferably 10 ⁇ or less.
  • FIG. 6 is a graph showing the relationship between the rotation angle of the piezoelectric layer and the speed of sound in the first example.
  • FIG. 7 is a graph showing the relationship between the rotation angle of the piezoelectric layer and the electromechanical coupling coefficient of the first example.
  • FIG. 8 is a graph showing the relationship between the rotation angle of the piezoelectric layer and the Q value of the first example.
  • the resonator 10 includes a high acoustic velocity substrate 1, a low acoustic velocity layer 3 laminated on the high acoustic velocity substrate 1, a piezoelectric layer 5 laminated on the low acoustic velocity layer 3, and a piezoelectric layer 5 and an IDT electrode 7 and a reflector 9 formed thereon.
  • High acoustic velocity substrate 1 silicon (single crystal)
  • T1 300 ⁇ m
  • Low sound velocity layer 3 Silicon oxide (amorphous)
  • T3 0.8 ⁇ m
  • Piezoelectric layer 5 crystal, Euler angles (0°, ⁇ 1+90°, 90°)
  • T5 2 ⁇ m
  • the resonator according to the comparative example is a resonator composed of a single piezoelectric layer 5 with the high acoustic velocity substrate 1 and the low acoustic velocity layer 3 omitted from the configuration of the first embodiment.
  • Various resonance characteristics were simulated in the first embodiment and the comparative example.
  • the horizontal axis of the graph in FIG. 6 indicates the rotation angle of piezoelectric layer ⁇ 1, and the vertical axis indicates the SAW sound velocity (Phase velocity) (unit: m/s).
  • the SAW sound velocity of the first example is higher than the SAW sound velocity of the comparative example. That is, within this range, the first embodiment is more advantageous than the comparative example in increasing the frequency.
  • the increase in SAW speed of sound is large.
  • the SAW sound velocity of the comparative example was 3300 m/s or less, while the SAW sound velocity of the first example increased to 3500 m/s or more.
  • the horizontal axis of the graph in FIG. 7 indicates the rotation angle of piezoelectric layer ⁇ 1, and the vertical axis indicates the electromechanical coupling coefficient (unit: %).
  • the electromechanical coupling coefficient of the first example is higher than the electromechanical coupling coefficient of the comparative example. That is, in this range, the first embodiment is superior to the comparative example in oscillation characteristics as an oscillator, and can be used as a filter in a wide band.
  • the horizontal axis of the graph in FIG. 8 indicates the rotation angle of piezoelectric layer ⁇ 1, and the vertical axis indicates the Q value (Q).
  • the Q value of the first example is higher than the Q value of the comparative example. That is, over the entire range of ⁇ 1, the first embodiment is superior to the comparative example in oscillation characteristics as an oscillator, can reduce phase noise, and can reduce insertion loss as a filter.
  • FIG. 9 is a graph showing the relationship between the rotation angle of the piezoelectric layer of the first embodiment and the primary frequency temperature coefficient.
  • FIG. 10 is a graph showing the relationship between the rotation angle of the piezoelectric layer of the first embodiment and the secondary frequency temperature coefficient.
  • FIG. 11 is a graph showing the relationship between the rotation angle of the piezoelectric layer of the first embodiment and the third-order frequency temperature coefficient.
  • FIG. 12 is a graph showing frequency temperature characteristics of the first embodiment.
  • the horizontal axis of the graph in FIG. 9 indicates the rotation angle of piezoelectric layer ⁇ 1, and the vertical axis indicates the 1st TCF (Temperature Coefficients of Frequency).
  • the unit of the vertical axis is ppm/K.
  • the horizontal axis of the graph in FIG. 10 indicates the rotation angle of piezoelectric layer ⁇ 1, and the vertical axis indicates the second frequency temperature coefficient (2nd TCF).
  • the units of the vertical axis are ppb/K2.
  • the horizontal axis of the graph in FIG. 11 indicates the rotation angle of piezoelectric layer ⁇ 1, and the vertical axis indicates the 3rd order frequency temperature coefficient (3rd TCF).
  • the unit of the vertical axis is ppt/ K3 .
  • the absolute value of the primary frequency temperature coefficient of the first example is smaller than the absolute value of the primary frequency temperature coefficient of the comparative example.
  • the second order frequency temperature coefficient and the third order frequency temperature coefficient are smaller than the absolute value of the primary frequency temperature coefficient of the comparative example.
  • the second order frequency temperature coefficient and the third order frequency temperature coefficient are smaller than the absolute value of the primary frequency temperature coefficient of the comparative example.
  • the third-order frequency temperature coefficient of the comparative example was 80 ppt/K 3 or more, while the absolute value of the third-order frequency temperature coefficient of the first embodiment was 40 ppt/K 3 or less. was reduced to
  • the horizontal axis of the graph in FIG. 12 indicates temperature (unit: °C), and the vertical axis indicates frequency variation (dF) (unit: ppm) based on the frequency at 25°C.
  • the frequency temperature characteristic of the first example is superior to that of the comparative example.
  • FIG. 13 is a graph for explaining the effect of the sound velocity of the high acoustic velocity substrate of the first embodiment on the Q value.
  • changes in the Q value obtained by a simulation in which the sound velocity of the high-sonic-velocity substrate 1 is changed are shown.
  • the horizontal axis of the graph in FIG. 13 indicates the sound velocity (Phase velocity of substrate) (unit: m/s) of the high-sonic substrate 1, and the vertical axis indicates the Q value.
  • the Q value is increased. ing.
  • FIG. 14 is a graph showing the relationship between the rotation angle of the piezoelectric layer and the speed of sound in the second example.
  • FIG. 15 is a graph showing the relationship between the rotation angle of the piezoelectric layer and the electromechanical coupling coefficient of the second example.
  • FIG. 16 is a graph showing the relationship between the rotation angle of the piezoelectric layer and the Q value of the second example.
  • the second embodiment differs from the first embodiment in that the low sound velocity layer 3 is omitted and the piezoelectric layer 5 is directly bonded to the high sound velocity substrate 1 .
  • the configuration is the same as that of the first embodiment.
  • the horizontal axis of the graph in FIG. 14 indicates the rotation angle of piezoelectric layer ⁇ 1, and the vertical axis indicates the SAW sound velocity (Phase velocity) (unit: m/s).
  • the SAW sound velocity of the second example is higher than the SAW sound velocity of the comparative example.
  • the increase in SAW speed of sound is large.
  • the SAW sound velocity of the comparative example was 3300 m/s or less, while the SAW sound velocity of the second example increased to 4200 m/s or more.
  • the SAW sound velocity of the second embodiment is greater than the SAW sound velocity of the first embodiment over the entire range of ⁇ 1.
  • the horizontal axis of the graph in FIG. 15 indicates the rotation angle of piezoelectric layer ⁇ 1, and the vertical axis indicates the electromechanical coupling coefficient (unit: %).
  • the electromechanical coupling coefficient of the second example is higher than the electromechanical coupling coefficient of the comparative example.
  • the increase in the electromechanical coupling coefficient is large.
  • the electromechanical coupling coefficient of the comparative example was 2.5% or less, while the electromechanical coupling coefficient of the second example increased to 3.8% or more.
  • the electromechanical coupling coefficient of the second embodiment is larger than the electromechanical coupling coefficient of the first embodiment.
  • the horizontal axis of the graph in FIG. 16 indicates the rotation angle of piezoelectric layer ⁇ 1, and the vertical axis indicates the Q value (Q).
  • the Q value of the second example is higher than the Q value of the comparative example.
  • the Q value increases significantly.
  • the Q value of the comparative example was 1000 or less, while the Q value of the second example increased to 8000 or more. Note that the Q value of the first embodiment is larger than the Q value of the second embodiment over the entire range of ⁇ 1.
  • FIG. 17 is a graph showing the relationship between the rotation angle of the high acoustic velocity substrate and the speed of sound in the third embodiment.
  • FIG. 18 is a graph showing the relationship between the rotation angle of the high acoustic velocity substrate and the electromechanical coupling coefficient of the third embodiment.
  • FIG. 19 is a graph showing the relationship between the rotation angle and the Q value of the high acoustic velocity substrate of the third example.
  • FIG. 20 is a graph showing the relationship between the rotation angle of the high acoustic velocity substrate and the primary frequency temperature coefficient of the third embodiment.
  • FIG. 21 is a graph showing the relationship between the rotation angle of the high acoustic velocity substrate and the secondary frequency temperature coefficient of the third embodiment.
  • FIG. 22 is a graph showing the relationship between the rotation angle of the high-sonic substrate of the third embodiment and the third-order frequency temperature coefficient.
  • the third embodiment differs from the second embodiment in that the high acoustic velocity substrate 1 is made of quartz. Other than that, the configuration is the same as that of the second embodiment.
  • the high acoustic velocity substrate 1 is a quartz crystal whose plane perpendicular to the crystal Y axis is rotated around the crystal X axis at a rotation angle ⁇ 2, and the crystal X axes of the piezoelectric layer 5 and the high acoustic velocity substrate 1 are parallel to each other. It is laminated like this.
  • the cut angle of the crystal of the high acoustic velocity substrate 1 is represented by Euler angles, it is expressed as (0°, ⁇ 2 ⁇ 90°, 90°).
  • the change in resonance characteristic or temperature characteristic is simulated. did.
  • a comparative example is a resonator using, as a piezoelectric layer, a high acoustic velocity substrate made of a single-layer crystal indicated by Euler angles (0°, ⁇ 2 ⁇ 90°, 90°). Therefore, the rotation angle .theta.2 in the comparative example corresponds to the rotation angle .theta.1 in the third embodiment.
  • a simulation was performed of changes in resonance characteristics or temperature characteristics when the rotation angle ⁇ 2 was changed.
  • the horizontal axis of the graph in FIG. 17 indicates the rotation angle of substrate ⁇ 2, and the vertical axis indicates the SAW sound velocity (Phase velocity) (unit: m/s).
  • the horizontal axis of the graph in FIG. 18 indicates the rotation angle of substrate ⁇ 2 of the high acoustic velocity substrate, and the vertical axis indicates the electromechanical coupling coefficient (unit: %).
  • the horizontal axis of the graph in FIG. 19 indicates the rotation angle of substrate ⁇ 2 of the high acoustic velocity substrate, and the vertical axis indicates the Q value (Q).
  • the horizontal axis of the graph in FIG. 20 indicates the rotation angle of substrate ⁇ 2 of the high acoustic velocity substrate, and the vertical axis indicates the first frequency temperature coefficient (1st TCF).
  • the horizontal axis of the graph of FIG. 21 indicates the rotation angle of substrate ⁇ 2 of the high acoustic velocity substrate, and the vertical axis indicates the secondary frequency temperature coefficient (2nd TCF).
  • the horizontal axis of the graph in FIG. 22 indicates the rotation angle of substrate ⁇ 2 of the high acoustic velocity substrate, and the vertical axis indicates the third order frequency temperature coefficient (3rd TCF).
  • a resonator includes a piezoelectric layer having a first surface and a second surface facing each other, an IDT electrode provided on the side of the first surface of the piezoelectric layer, and a second surface of the piezoelectric layer.
  • a high acoustic velocity substrate provided on the side of the crystal plane, wherein the piezoelectric layer is made of crystal with a cut angle in which a plane orthogonal to the crystal Y axis is rotated around the crystal X axis, and the piezoelectric layer is cut with respect to the crystal X axis.
  • the sound velocity of the high acoustic velocity substrate is faster than the sound velocity of the piezoelectric layer in the propagation direction of 90° ⁇ 10°, and the IDT electrode has a comb-shaped electrode having a plurality of electrode fingers arranged in the propagation direction.
  • a resonator having at least a third-order frequency temperature coefficient and a Q value superior to those of a resonator made of a single piezoelectric layer is provided. Furthermore, by appropriately selecting the rotation angle for rotating the crystal plane of the piezoelectric layer perpendicular to the crystal Y-axis around the crystal X-axis, the electromechanical coupling coefficient, the SAW sound velocity, the primary frequency temperature coefficient and the secondary frequency temperature coefficient can be improved.
  • the piezoelectric layer has a cut angle obtained by rotating a plane perpendicular to the crystal Y-axis counterclockwise within a range of ⁇ 59° ⁇ 10° as viewed from the positive direction of the crystal X-axis.
  • a resonator that is superior in SAW sound velocity and electromechanical coupling coefficient to a resonator made up of a single piezoelectric layer is provided.
  • the piezoelectric layer has a cut angle obtained by rotating a plane orthogonal to the crystal Y-axis counterclockwise within a range of 35° ⁇ 10° as viewed from the positive direction of the crystal X-axis. It may be made of crystal.
  • the piezoelectric layer and the high acoustic velocity substrate may be laminated directly.
  • a low acoustic velocity layer may be provided between the piezoelectric layer and the high acoustic velocity substrate, and the acoustic velocity of the low acoustic velocity layer may be equal to or lower than the acoustic velocity of the piezoelectric layer in the propagation direction.
  • the thickness of the low sound velocity layer may be set in the range of 0.1 ⁇ or more and 0.5 ⁇ or less, where ⁇ is the wavelength of the elastic wave determined by the electrode period of the IDT electrodes.
  • the thickness of the low acoustic velocity layer may be 1/100 or less of the thickness of the high acoustic velocity substrate.
  • the thickness of the piezoelectric layer may be set in the range of 0.05 ⁇ or more and 0.5 ⁇ or less, where ⁇ is the wavelength of the elastic wave determined by the electrode period of the IDT electrodes.
  • the thickness of the piezoelectric layer may be 1/100 or less of the thickness of the high acoustic velocity substrate.
  • the sound velocity of the high acoustic velocity substrate may be 20% or more higher than the sound velocity of the piezoelectric layer in the propagation direction.
  • the sound velocity of the high acoustic velocity substrate may be 40% or more higher than the sound velocity of the piezoelectric layer in the propagation direction.
  • the high acoustic velocity substrate may be made of any one of silicon, silicon compounds and aluminum compounds.
  • the high acoustic velocity substrate may be made of single crystal silicon.
  • the high acoustic velocity substrate is cut by rotating a plane orthogonal to the crystal Y axis counterclockwise within a range of 0° or more and 60° or less when viewed from the positive direction of the crystal X axis.
  • the piezoelectric layer and the high acoustic velocity substrate may be made of angular quartz and arranged such that their crystal X-axes are parallel to each other.
  • the IDT electrode may be made of a metal containing aluminum as a main component.

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Abstract

共振子（１０）は、互いに対向する第１面及び第２面を有する圧電層と、圧電層（５）の第１面の側に設けられたＩＤＴ電極（７）（７）と、圧電層（５）の第２面の側に設けられた高音速基板（１）と、を備え、圧電層（５）は、結晶Ｙ軸に直交する面を結晶Ｘ軸回りに回転させたカット角の水晶からなり、圧電層（５）の結晶Ｘ軸に対して９０°±１０°となる伝搬方向（ＰＤ）において、高音速基板（１）の音速は圧電層（５）の音速よりも速く、ＩＤＴ電極（７）は、伝搬方向（ＰＤ）に並ぶ複数の電極指（７ｂ）を有する櫛形電極を有する。

Description

共振子
　本発明は、共振子に関する。
　従来、共振器や帯域フィルタなどに利用される弾性波装置として、弾性表面波（Ｓｕｒｆａｃｅ　Ａｃｏｕｓｔｉｃ　Ｗａｖｅ：以下、ＳＡＷ）共振子が知られている。携帯電話などの移動体通信システムの進化によって、ＳＡＷ共振子のＱ値や周波数温度特性などの各種特性の向上が求められている。
　特許文献１には、圧電基板と、圧電基板上に設けられたＩＤＴとを備え、励振波をＳＨ波とした弾性表面波デバイスであって、ＩＤＴの電極指間スペースに溝が形成されることで、Ｑ値の向上を図った弾性表面波デバイスが開示されている。
　特許文献２には、高音速支持基板と、圧電膜と、ＩＤＴ電極とを備える弾性波装置であって、ＩＤＴ電極の電極周期で定まる弾性波の波長をλとしたときに、０．１λ～０．５λの範囲とされる膜厚の低音速膜が高音速支持基板と圧電膜との間に設けられることで、Ｑ値の向上を図った弾性波装置が開示されている。
　特許文献３には、水晶層、アモルファス酸化シリコン層、圧電層、櫛形電極を順に積層した弾性表面波デバイスであって、アモルファス酸化シリコン層の厚さ、圧電層の厚さを適切な値とすることで、周波数温度特性やその他の各特性について良好なものとすることを図った弾性表面波デバイスが開示されている。
特開２００６－２０３４０８号公報 特許第５９１０７６３号公報 特開２０１９－１４９７２４号公報
　しかしながら、特許文献１に記載の弾性表面波デバイスでは、電極指間スペースの溝の深さの制御が難しく、Ｑ値が充分に向上しない場合がある。
　特許文献２に記載の弾性波装置及び特許文献３に記載の弾性表面波デバイスでは、１次周波数温度係数が改善されているが、さらなる周波数温度特性の改善の余地を残している。
　本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、周波数温度特性又は共振特性に優れる共振子を提供することを目的とする。
　本発明の一側面に係る共振子は、
　互いに対向する第１面及び第２面を有する圧電層と、
　圧電層の第１面の側に設けられたＩＤＴ電極と、
　圧電層の第２面の側に設けられた高音速基板と、
　を備え、
　圧電層は、結晶Ｙ軸に直交する面を結晶Ｘ軸回りに回転させたカット角の水晶からなり、
　圧電層の結晶Ｘ軸に対して９０°±１０°となる伝搬方向において、高音速基板の音速は圧電層の音速よりも速く、
　ＩＤＴ電極は、伝搬方向に並ぶ複数の電極指を有する櫛形電極を有する。
　本発明によれば、周波数温度特性又は共振特性に優れる共振子を提供することができる。
一実施形態における共振子の構成を概略的に示す平面図である。 図１に示した共振子の構成を概略的に示す断面図である。 図１に示した圧電層の結晶軸方向を説明する図である。 一変形例における共振子の構成を概略的に示す断面図である。 一変形例における共振子の構成を概略的に示す断面図である。 第１実施例の圧電層の回転角度と音速の関係を示すグラフである。 第１実施例の圧電層の回転角度と電気機械結合係数の関係を示すグラフである。 第１実施例の圧電層の回転角度とＱ値の関係を示すグラフである。 第１実施例の圧電層の回転角度と１次周波数温度係数の関係を示すグラフである。 第１実施例の圧電層の回転角度と２次周波数温度係数の関係を示すグラフである。 第１実施例の圧電層の回転角度と３次周波数温度係数の関係を示すグラフである。 第１実施例の周波数温度特性を示すグラフである。 第１実施例の高音速基板の音速がＱ値に及ぼす影響を説明するグラフである。 第２実施例の圧電層の回転角度と音速の関係を示すグラフである。 第２実施例の圧電層の回転角度と電気機械結合係数の関係を示すグラフである。 第２実施例の圧電層の回転角度とＱ値の関係を示すグラフである。 第３実施例の高音速基板の回転角度と音速の関係を示すグラフである。 第３実施例の高音速基板の回転角度と電気機械結合係数の関係を示すグラフである。 第３実施例の高音速基板の回転角度とＱ値の関係を示すグラフである。 第３実施例の高音速基板の回転角度と１次周波数温度係数の関係を示すグラフである。 第３実施例の高音速基板の回転角度と２次周波数温度係数の関係を示すグラフである。 第３実施例の高音速基板の回転角度と３次周波数温度係数の関係を示すグラフである。
　以下に本発明の実施形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の構成要素は同一又は類似の符号で表している。図面は例示であり、各部の寸法や形状は模式的なものであり、本発明の技術的範囲を当該実施形態に限定して解するべきではない。
　まず、図１～図３を参照しつつ、本発明の一実施形態に係る共振子１０の概略構成について説明する。図１は、一実施形態における共振子の構成を概略的に示す平面図である。図２は、図１に示した共振子の構成を概略的に示す断面図である。図３は、図１に示した圧電層の結晶軸方向を説明する図である。
　共振子１０は、ＳＡＷ共振子の一種であり、ＳＳＢＷ（Ｓｕｒｆａｃｅ　Ｓｋｉｍｍｉｎｇ　Ｂｕｌｋ　Ｗａｖｅ）を導波するＳＴＷ（Ｓｕｒｆａｃｅ　Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ　Ｗａｖｅ：横波型弾性表面波）素子である。図１及び２に示すように、共振子１０は、高音速基板１と、低音速層３と、圧電層５と、ＩＤＴ（Ｉｎｔｅｒ　Ｄｉｇｉｔａｌ　Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ）電極７と、一対の反射器９とを備えている。
　高音速基板１は、圧電層５の振動エネルギーがバルク波として漏れてＱ値を低下させることを抑制できる基板である。具体的には、高音速基板１は、例えば図２に示したように、伝搬方向ＰＤにおける音速（弾性波の伝搬速度）が圧電層５の伝搬方向ＰＤにおける音速よりも速い単層基板である。以下、「伝搬方向ＰＤにおける音速」を、単に「音速」ともいう。高音速基板１の音速は、圧電層５の音速に比べて１０％以上速いことが望ましく、２０％以上速いことがさらに望ましく、４０％以上速いことがさらに望ましい。
　高音速基板１は、例えばシリコン単結晶からなるが、これに限定されるものではない。高音速基板１は、例えば、単体シリコン（アモルファスシリコン、シリコン多結晶など）、シリコン化合物（酸化シリコン、窒化シリコン、炭化シリコンなど）及びアルミニウム化合物（窒化アルミニウム、酸化アルミニウムなど）のうちのいずれかによって形成されてもよい。後述のとおり圧電層５は水晶によって形成されるが、伝搬方向ＰＤにおいて高音速基板１と圧電層５との間に充分な音速差が確保できるように結晶軸方向を設定可能であれば、高音速基板１も水晶によって形成されてもよい。この場合、高音速基板１及び圧電層５は、互いにカット角の異なる水晶によって形成されてもよい。具体例を挙げると、圧電層５の水晶が後述するＢＴカットであり、伝搬方向ＰＤに対して結晶Ｘ軸が９０°±１０°となるように設けられ、高音速基板１の水晶が後述するＡＴカットであり、伝搬方向ＰＤに対して結晶Ｘ軸が９０°±１０°となるように設けられてもよい。すなわち、高音速基板１の水晶のカット角は、オイラー角によって（λ、μ、θ）＝（０°、１２５°±１０°、９０°±１０°）と表され、圧電層５の水晶のカット角は、オイラー角によって（λ、μ、θ）＝（０°、３１°±１０°、９０°±１０°）と表されてもよい。これによれば、高音速基板１と圧電層５との音速差を大きくすることができる。なお、高音速基板１を構成する水晶のカット角は、伝搬方向ＰＤにおいて高音速基板１の音速が圧電層５の音速よりも充分に速ければ上記に限定されるものではない。高音速基板１は、結晶Ｙ軸に直交する面を、結晶Ｘ軸の正方向側から視て反時計回りに０°以上６０°以下の範囲で回転させたカット角の水晶によって形成されてもよい。
　高音速基板は図２に示した単層構造に限定されるものではなく、多層構造であってもよい。高音速基板が多層構造である場合、この多層構造のうち最も圧電層５に近い層の音速が圧電層５の音速よりも速ければ、この多層構造の他の層の音速が圧電層５の音速以下であってもよい。多層構造からなる高音速基板のうち最も圧電層５に近い層は、その音速が上記した高音速基板１と同様の音速であることが望ましく、上記した高音速基板１と同様の材料によって形成されることが望ましい。
　高音速基板１の厚みＴ１が大きいほど、圧電層５からの振動エネルギーの漏れが抑制できる。また、高音速基板１は、低音速層３、圧電層５、ＩＤＴ電極７及び反射器９を有する積層構造を支持可能な機械的強度を有することが望ましい。したがって、弾性波の波長をλとしたとき、高音速基板１の厚みＴ１は５０λ以上であることが望ましく、１００λ以上であることがさらに望ましく、５００λ以上であることがさらに望ましい。
　低音速層３は、本質的に低音速な媒質に集中する特性を有する振動エネルギーを閉じ込め、圧電層５から高音速基板１への振動エネルギーの漏れを抑制するための層である。具体的には、低音速層３は、伝搬方向ＰＤにおける音速が圧電層５の伝搬方向ＰＤにおける音速以下の層である。低音速層３は、高音速基板１の上に直接積層されている。これは、高音速基板１と低音速層３との間に接着剤等の機能部材が存在せず、高音速基板１と低音速層３とが接触していることを意味する。直接積層は、例えば、拡散接合や常温接合などによる直接接合や、ＰＶＤやＣＶＤなどによる直接成膜によって実現される。直接積層における部材間の境界において、組成比は急激に変化してもよく、徐々に変化してもよい。他の層や基板における直接積層についても同様とする。
　低音速層３は、例えば酸化シリコンからなり、これによれば温度補償効果により周波数温度特性を改善できる。但し、低音速層３の材質は酸化シリコンに限定されるものではなく、例えば、酸窒化シリコン、酸化タンタル、又はこれらにフッ素や炭素やホウ素を加えた化合物によって形成されてもよい。
　低音速層３の厚みＴ３は、０．０１λ以上２．０λ以下の範囲で設定されることが望ましく、０．１λ以上０．５λ以下の範囲で設定されることがさらに望ましい。厚みＴ３を２．０λ以下の範囲で設定することにより、電気機械結合係数を容易に調整することができる。また、厚みＴ３を０．０１λ以上の範囲で設定することにより、圧電層５からの振動エネルギーの漏れを充分に抑制することができる。また、低音速層３の応力による共振子１０のそり低減の観点から、低音速層３の厚みＴ３は、高音速基板１の厚みＴ１の１００分の１以下であることが望ましい。なお、低音速層３は省略されてもよい。すなわち、圧電層５と高音速基板１とは、直接積層されていてもよい。
　圧電層５は、電気的な振動エネルギーと機械的な振動エネルギーとを相互に変換し、機械的な振動エネルギーをＳＳＢＷとして伝搬させる層である。圧電層５は、低音速層３の上に直接積層されている。図３に示すように、圧電層５は、結晶Ｙ軸に直交する面を結晶Ｘ軸回りに回転角θ１で回転させたカット角の水晶（回転Ｙカット水晶基板）からなる。また、圧電層５は、結晶Ｘ軸に対して９０°±１０°の方向が伝搬方向ＰＤとなるように設けられる。すなわち、伝搬方向ＰＤは、結晶Ｚ軸を結晶Ｘ軸回りに回転角θ１で回転させたＺ’軸に沿った方向である。ここで、回転角θ１は、結晶Ｘ軸の正方向側から（図３の紙面の手前側から奥を）視て反時計回りを正（＋）、時計回りを負（－）とし、０を含む。当該水晶のカット角をオイラー角で表示する場合は（０°、θ１＋９０°、９０°±１０°）となる。
　一例として、圧電層５の水晶はＢＴカットであり、θ１＝－５９°±１０°である。当該水晶のカット角をオイラー角で表示する場合は（λ、μ、θ）＝（０°、θ１＋９０°、９０°±１０°）＝（０°、３１°±１０°、９０°±１０°）となる。また、別の一例として、圧電層５の水晶はＡＴカットであり、θ１＝３５°±１０°である。当該水晶のカット角をオイラー角で表示する場合は（λ、μ、θ）＝（０°、θ１＋９０°、９０°±１０°）＝（０°、１２５°±１０°、９０°±１０°）となる。
　圧電層５の厚みＴ５は、０．０２λ以上１．０λ以下の範囲に設定されることが望ましく、０．０５λ以上０．５λ以下の範囲に設定されることがさらに望ましく、０．１λ以上０．５λ以下の範囲に設定されることがさらに望ましい。これによれば、広い範囲で電気機械結合係数を容易に調整できる。また、圧電層５からの振動エネルギーの漏れを抑制する観点から、圧電層５の厚みＴ５は、高音速基板１の厚みＴ１の１００分の１以下であることが望ましい。
　ＩＤＴ電極７は櫛形電極である。図１に示す例では、ＩＤＴ電極７は、一対のバスバー７ａと、複数の電極指７ｂとを有する。一対のバスバー７ａは、伝搬方向ＰＤに沿って各々延出するとともに伝搬方向ＰＤに対して直交する方向に互いに離間するように配置されている。複数の電極指７ｂは、一対のバスバー７ａの各々から伝搬方向ＰＤに直交する方向に延出し、伝搬方向ＰＤに沿って配列されている。一方のバスバー７ａから延出した複数の電極指７ｂと、他方のバスバー７ａから延出した複数の電極指７ｂとは、伝搬方向ＰＤに沿って交互に配置されている。圧電層５の結晶軸方向を基準にすると、図３に示すように、複数の電極指７ｂは、結晶Ｘ軸方向に延在し、結晶Ｚ軸を結晶Ｘ軸回りに回転角θ１で回転させたＺ’軸方向に沿って並んでいる。電極指７ｂの電極周期は、弾性波の波長λを定める。言い換えると、電気的に互いに接続した隣接する２つの電極指７ｂのそれぞれの－Ｚ’軸方向の側の縁は、Ｚ’軸方向に間隔λで離れている。
　一対の反射器９は、ＳＡＷを反射しＱ値を向上させるためのグレーティング反射器である。一対の反射器９は、伝搬方向ＰＤにおいて、ＩＤＴ電極７を挟むように配置されている。一対の反射器９のそれぞれは、伝搬方向ＰＤに沿って各々伸びると共に伝搬方向ＰＤに対して互いに直交する方向に離間するように配置された一対の反射器バスバー９ａと、一対の反射器バスバー９ａを接続し伝搬方向ＰＤに並ぶ複数の反射器電極指９ｂとを有している。
　ＩＤＴ電極７及び反射器９は、圧電層５の上に設けられている。ＩＤＴ電極７及び反射器９は、例えばアルミニウムを主成分とする金属からなるが、これに限定されるものではない。ＩＤＴ電極７及び反射器９は、例えば、銅、プラチナ、金、銀、チタン、ニッケル、クロム、モリブデン、タングステン又はこれらの金属のいずれかを主成分とする合金によって形成されてもよい。ＩＤＴ電極７及び反射器９の厚みＴ７は、０．０１λ以上０．２λ以下の範囲で設定されることが望ましく、０．０２λ以上０．１５λ以下の範囲で設定されることがさらに望ましく、０．０４λ以上１．０λ以下の範囲で設定されることがさらに望ましい。
　次に、図４及び図５を参照しつつ、本実施形態の一変形例について説明する。図４及び図５は、一変形例における共振子の構成を概略的に示す断面図である。
　図４に示すように、共振子２０の高音速基板１と圧電層５とは、互いに直接積層されていてもよい。この場合、低音速層が省略されているため、圧電層５から高音速基板１への振動エネルギーの漏れを抑制するためには、高音速基板１の音速が圧電層５の音速に比べて２０％以上速いことが望ましい。
　図５に示すように、共振子３０の高音速基板３１は、支持基板３１ａと支持基板３１ａの上に積層された高音速層３１ｂとを有してもよい。高音速層３１ｂは例えば支持基板３１ａの上に直接積層されているが、これに限定されるものではなく、接着剤等の接合部材を介して積層されてもよい。
　支持基板３１ａは、高音速層３１ｂ、低音速層３、圧電層５、ＩＤＴ電極７及び反射器９を有する積層構造を支持可能であれば、その材質を限定されるものではない。例えば、支持基板３１ａは、サファイア、リチウムタンタレート、リチウムニオベイト、水晶等の圧電体、アルミナ、マグネシア、窒化シリコン、窒化アルミニウム、炭化シリコン、ジルコニア、コージライト、ムライト、ステアタイト、フォルステライト等の各種セラミック、ガラス等の誘電体、又はシリコン、窒化ガリウム等の半導体及び樹脂基板などによって形成できる。
　高音速層３１ｂは、支持基板３１ａと低音速層３との間に設けられる。高音速層３１ｂは、伝搬方向ＰＤにおける音速が圧電層５の伝搬方向ＰＤにおける音速よりも速い。高音速層３１ｂは、高音速基板１と同様の材料によって形成可能である。高音速層３１ｂの厚みが大きいほど、圧電層５からの振動エネルギーの漏れが抑制できる。したがって、高音速層３１ｂの厚みは０．５λ以上であることが望ましく、１．５λ以上であることがさらに望ましい。但し、製造性の観点から、高音速層３１ｂの厚みは１０λ以下であることが望ましい。
　次に図６～図８を参照しつつ、本実施形態の一実施例における共振特性について説明する。図６は、第１実施例の圧電層の回転角度と音速の関係を示すグラフである。図７は、第１実施例の圧電層の回転角度と電気機械結合係数の関係を示すグラフである。図８は、第１実施例の圧電層の回転角度とＱ値の関係を示すグラフである。
　第１実施例にかかる共振子１０は、高音速基板１と、高音速基板１の上に積層された低音速層３と、低音速層３の上に積層された圧電層５と、圧電層５の上に形成されたＩＤＴ電極７及び反射器９と、を備えている。
　弾性波：波長λ＝４μｍ、周波数ｆ＝１ＧＨｚ
　高音速基板１：シリコン（単結晶）、Ｔ１＝３００μｍ
　低音速層３：シリコン酸化物（アモルファス）、Ｔ３＝０．８μｍ
　圧電層５：水晶、オイラー角（０°、θ１＋９０°、９０°）、Ｔ５＝２μｍ
　ＩＤＴ電極７：アルミニウム、Ｔ７＝０．２μｍ
　比較例にかかる共振子は、第１実施例の構成から高音速基板１及び低音速層３を省略し、単層の圧電層５からなる共振子である。第１実施例及び比較例における各種共振特性のシミュレーションを行った。
　図６のグラフの横軸は圧電層の回転角（Ｒｏｔａｔｉｏｎ　ａｎｇｌｅ　ｏｆ　ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ）θ１を示し、縦軸はＳＡＷ音速（Ｐｈａｓｅ　ｖｅｌｏｃｉｔｙ）（単位：ｍ／ｓ）を示している。－９０°≦θ１≦０°及び６０°≦θ１≦９０°の範囲で、第１実施例のＳＡＷ音速は比較例のＳＡＷ音速よりも上昇している。すなわち、この範囲において、第１実施例は比較例よりも高周波化に有利である。特にθ１＝－５９°±１０°の範囲ではＳＡＷ音速の上昇が大きい。例えば、θ１＝－５９°において、比較例のＳＡＷ音速が３３００ｍ／ｓ以下であったのに対し、第１実施例のＳＡＷ音速は３５００ｍ／ｓ以上まで上昇した。
　図７のグラフの横軸は圧電層の回転角（Ｒｏｔａｔｉｏｎ　ａｎｇｌｅ　ｏｆ　ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ）θ１を示し、縦軸は電気機械結合係数（Ｃｏｕｐｌｉｎｇ　ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）（単位：％）を示している。－９０°≦θ１≦０°及び７０°≦θ１≦９０°の範囲で、第１実施例の電気機械結合係数は比較例の電気機械結合係数よりも上昇している。すなわち、この範囲において、第１実施例は比較例よりも、発振器としての発振特性に優れ、フィルタとしての広帯域化が可能である。
　図８のグラフの横軸は圧電層の回転角（Ｒｏｔａｔｉｏｎ　ａｎｇｌｅ　ｏｆ　ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ）θ１を示し、縦軸はＱ値（Ｑ）を示している。θ１の全範囲において、第１実施例のＱ値は比較例のＱ値よりも上昇している。すなわち、θ１の全範囲において、第１実施例は比較例よりも、発振器しての発振特性に優れ且つ位相ノイズを低減可能であり、フィルタとして挿入損失を低減可能である。特にθ１＝－５９°±１０°の範囲ではＱ値の上昇が大きい。例えば、θ１＝－５９°において、比較例のＱ値が１０００以下であったのに対し、第１実施例のＱ値は８０００以上まで上昇した。
　次に図９～図１２を参照しつつ、本実施形態の一実施例にける温度特性について説明する。第１実施例及び比較例における温度特性のシミュレーションを行った。図９は、第１実施例の圧電層の回転角度と１次周波数温度係数の関係を示すグラフである。図１０は、第１実施例の圧電層の回転角度と２次周波数温度係数の関係を示すグラフである。図１１は、第１実施例の圧電層の回転角度と３次周波数温度係数の関係を示すグラフである。図１２は、第１実施例の周波数温度特性を示すグラフである。
　図９のグラフの横軸は圧電層の回転角（Ｒｏｔａｔｉｏｎ　ａｎｇｌｅ　ｏｆ　ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ）θ１を示し、縦軸は１次周波数温度係数（１ｓｔ　ＴＣＦ：Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｓ　ｏｆ　Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）を示している。縦軸の単位はｐｐｍ／Ｋである。図１０のグラフの横軸は圧電層の回転角（Ｒｏｔａｔｉｏｎ　ａｎｇｌｅ　ｏｆ　ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ）θ１を示し、縦軸は２次周波数温度係数（２ｎｄ　ＴＣＦ）を示している。縦軸の単位はｐｐｂ／Ｋ２である。図１１のグラフの横軸は圧電層の回転角（Ｒｏｔａｔｉｏｎ　ａｎｇｌｅ　ｏｆ　ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ）θ１を示し、縦軸は３次周波数温度係数（３ｒｄ　ＴＣＦ）を示している。縦軸の単位はｐｐｔ／Ｋ３である。θ１の全範囲において、第１実施例の１次周波数温度係数の絶対値は比較例の１次周波数温度係数の絶対値よりも小さくなっている。２次周波数温度係数及び３次周波数温度係数についても同様である。特に、θ１＝－５９°±１０°の範囲での３次周波数温度係数の絶対値の低減は大きい。例えば、θ１＝－５９°において、比較例の３次周波数温度係数が８０ｐｐｔ／Ｋ３以上であったのに対し、第１実施例の３次周波数温度係数の絶対値は４０ｐｐｔ／Ｋ３以下にまで低減された。
　図１２のグラフの横軸は温度（Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ）（単位：℃）を示し、縦軸は２５℃における周波数を基準とした周波数変化量（ｄＦ）（単位：ｐｐｍ）を示している。グラフ中のプロットは、それぞれ、θ１＝－５９°のときの第１実施例及び比較例の周波数温度特性、θ１＝３５°のときの第１実施例及び比較例の周波数温度特性を示している。θ１＝－５９°、３５°どちらの場合も、第１実施例の周波数温度特性は、比較例の周波数温度特性よりも優れている。特に、θ１＝－５９°の場合の第１実施例は周波数温度特性に優れ、４０℃以上１００℃以下の高温域における周波数変化量の絶対値が１０ｐｐｍ以下であった。
　次に、図１３を参照しつつ、音速差のＱ値への影響について説明する。図１３は、第１実施例の高音速基板の音速がＱ値に及ぼす影響を説明するグラフである。第１実施例の構成において、高音速基板１の音速を変化させたシミュレーションで得られたＱ値の変化を示している。
　図１３のグラフの横軸は高音速基板１の音速（Ｐｈａｓｅ　ｖｅｌｏｃｉｔｙ　ｏｆ　ｓｕｂｓｔｒａｔｅ）（単位：ｍ／ｓ）を示し、縦軸はＱ値を示している。グラフ中のプロットは、それぞれ、θ１＝－５９°のときの第１実施例のＱ値、及びθ１＝３５°のときの第１実施例のＱ値を示している。高音速基板１の音速が圧電層５の音速に比べて１０％以上速いときＱ値は上昇しており、２０％以上速いときＱ値は８０００以上となり、４０％以上速いときＱ値の上昇しきっている。
　次に図１４～図１６を参照しつつ、本実施形態の一実施例の共振特性について説明する。図１４は、第２実施例の圧電層の回転角度と音速の関係を示すグラフである。図１５は、第２実施例の圧電層の回転角度と電気機械結合係数の関係を示すグラフである。図１６は、第２実施例の圧電層の回転角度とＱ値の関係を示すグラフである。
　第２実施例は、低音速層３が省略され、高音速基板１に圧電層５が直接接合されている点で、第１実施例と相違している。それ以外は第１実施例と同様の構成である。
　図１４のグラフの横軸は圧電層の回転角（Ｒｏｔａｔｉｏｎ　ａｎｇｌｅ　ｏｆ　ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ）θ１を示し、縦軸はＳＡＷ音速（Ｐｈａｓｅ　ｖｅｌｏｃｉｔｙ）（単位：ｍ／ｓ）を示している。θ１の全範囲において、第２実施例のＳＡＷ音速は比較例のＳＡＷ音速よりも上昇している。特にθ１＝－５９°±１０°の範囲ではＳＡＷ音速の上昇が大きい。例えば、θ１＝－５９°において、比較例のＳＡＷ音速が３３００ｍ／ｓ以下であったのに対し、第２実施例のＳＡＷ音速は４２００ｍ／ｓ以上まで上昇した。なお、θ１の全範囲において、第２実施例のＳＡＷ音速は第１実施例のＳＡＷ音速よりも大きい。
　図１５のグラフの横軸は圧電層の回転角（Ｒｏｔａｔｉｏｎ　ａｎｇｌｅ　ｏｆ　ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ）θ１を示し、縦軸は電気機械結合係数（Ｃｏｕｐｌｉｎｇ　ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）（単位：％）を示している。－７０°≦θ１≦３０°の範囲で、第２実施例の電気機械結合係数は比較例の電気機械結合係数よりも上昇している。特に、θ１＝０°±１０°の範囲では電気機械結合係数の上昇が大きい。例えば、θ１＝０°において、比較例の電気機械結合係数が２．５％以下であったのに対し、第２実施例の電気機械結合係数は３．８％以上まで上昇した。なお、－４０°≦θ１≦４０°の範囲では、第２実施例の電気機械結合係数は第１実施例の電気機械結合係数よりも大きい。
　図１６のグラフの横軸は圧電層の回転角（Ｒｏｔａｔｉｏｎ　ａｎｇｌｅ　ｏｆ　ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ）θ１を示し、縦軸はＱ値（Ｑ）を示している。－９０°≦θ１≦１０°及び５０°≦θ１≦９０°の範囲において、第２実施例のＱ値は比較例のＱ値よりも上昇している。特にθ１＝－５９°±１０°の範囲ではＱ値の上昇が大きい。例えば、θ１＝－５９°において、比較例のＱ値が１０００以下であったのに対し、第２実施例のＱ値は８０００以上まで上昇した。なお、θ１の全範囲において、第１実施例のＱ値は第２実施例のＱ値よりも大きい。
　次に図１７～図２２を参照しつつ、本実施形態の一実施例の温度特性について説明する。第３実施例における共振特性及び温度特性のシミュレーションを行った。図１７は、第３実施例の高音速基板の回転角度と音速の関係を示すグラフである。図１８は、第３実施例の高音速基板の回転角度と電気機械結合係数の関係を示すグラフである。図１９は、第３実施例の高音速基板の回転角度とＱ値の関係を示すグラフである。図２０は、第３実施例の高音速基板の回転角度と１次周波数温度係数の関係を示すグラフである。図２１は、第３実施例の高音速基板の回転角度と２次周波数温度係数の関係を示すグラフである。図２２は、第３実施例の高音速基板の回転角度と３次周波数温度係数の関係を示すグラフである。
　第３実施例は、高音速基板１が水晶によって形成されている点で第２実施例と相違している。それ以外は第２実施例と同様の構成である。高音速基板１は、結晶Ｙ軸に直交する面を結晶Ｘ軸回りに回転角θ２で回転させた水晶であり、圧電層５と高音速基板１とは、互いの結晶Ｘ軸が平行となるように積層されている。高音速基板１の水晶のカット角をオイラー角で表示した場合、（０°、θ２±９０°、９０°）と表される。第３実施例において圧電層５の水晶の回転角θ１が－５９°又は３５°のとき、高音速基板１の水晶の回転角θ２を変化させたときの、共振特性又は温度特性の変化をシミュレーションした。比較例は、オイラー角（０°、θ２±９０°、９０°）で示される単層の水晶からなる高音速基板を圧電層として用いた共振子である。したがって、比較例における回転角θ２は、第３実施例における回転角θ１に相当する。比較例において、回転角θ２を変化させたときの、共振特性又は温度特性の変化をシミュレーションした。
　図１７のグラフの横軸は高音速基板の回転角（Ｒｏｔａｔｉｏｎ　ａｎｇｌｅ　ｏｆ　ｓｕｂｓｔｒａｔｅ）θ２を示し、縦軸はＳＡＷ音速（Ｐｈａｓｅ　ｖｅｌｏｃｉｔｙ）（単位：ｍ／ｓ）を示している。θ２＝－５９°のときの比較例のＳＡＷ音速は３３００ｍ／ｓ以下であるのに対して、第３実施例（θ１＝－５９°）のＳＡＷ音速は、－３０°≦θ２≦９０°の範囲で３４００ｍ／ｓ以上に上昇した。
　図１８のグラフの横軸は高音速基板の回転角（Ｒｏｔａｔｉｏｎ　ａｎｇｌｅ　ｏｆ　ｓｕｂｓｔｒａｔｅ）θ２を示し、縦軸は電気機械結合係数（Ｃｏｕｐｌｉｎｇ　ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）（単位：％）を示している。θ２＝－５９°のときの比較例の電気機械結合係数は４．０％程度であるのに対して、第３実施例（θ１＝－５９°）の電気機械結合係数は、－３０°≦θ２≦９０°の範囲で４．５％以上に上昇し、特に－２０°≦θ２≦８０°の範囲では５．０％以上に上昇した。
　図１９のグラフの横軸は高音速基板の回転角（Ｒｏｔａｔｉｏｎ　ａｎｇｌｅ　ｏｆ　ｓｕｂｓｔｒａｔｅ）θ２を示し、縦軸はＱ値（Ｑ）を示している。θ２＝－５９°のときの比較例のＱ値は１０００以下であるのに対して、第３実施例（θ１＝－５９°）のＱ値は、－３０°≦θ２≦９０°の範囲で２０００以上に上昇した。特に、０°≦θ２≦６０°の範囲ではＱ値の上昇が大きく、第３実施例（θ１＝－５９°）のＱ値は８５００以上に上昇した。
　θ２＝３５°のときの比較例のＱ値は８０００以下であるのに対して、第３実施例（θ１＝３５°）のＱ値は、２０°≦θ２≦４０°の範囲で８５００程度に上昇した。すなわち、θ２＝３５°の場合であっても、少なくともＱ値は向上する。
　図２０のグラフの横軸は高音速基板の回転角（Ｒｏｔａｔｉｏｎ　ａｎｇｌｅ　ｏｆ　ｓｕｂｓｔｒａｔｅ）θ２を示し、縦軸は１次周波数温度係数（１ｓｔ　ＴＣＦ）を示している。図２１のグラフの横軸は高音速基板の回転角（Ｒｏｔａｔｉｏｎ　ａｎｇｌｅ　ｏｆ　ｓｕｂｓｔｒａｔｅ）θ２を示し、縦軸は２次周波数温度係数（２ｎｄ　ＴＣＦ）を示している。図２２のグラフの横軸は高音速基板の回転角（Ｒｏｔａｔｉｏｎ　ａｎｇｌｅ　ｏｆ　ｓｕｂｓｔｒａｔｅ）θ２を示し、縦軸は３次周波数温度係数（３ｒｄ　ＴＣＦ）を示している。
　θ２＝－５９°のときの比較例の３次周波数温度係数は８０ｐｐｔ／Ｋ３程度であるのに対して、第３実施例（θ１＝－５９°）の３次周波数温度係数の絶対値は、回転角θ２の全範囲において低減され、特に－４０°≦θ２≦８０°の範囲で４０ｐｐｔ／Ｋ３以下にまで低減された。θ２＝３５°のときの比較例の２次周波数温度係数は－５０ｐｐｂ／Ｋ２程度であるのに対して、第３実施例（θ１＝３５°）の２次周波数温度係数の絶対値は、２０°≦θ２≦６０°の範囲で４０ｐｐｂ／Ｋ２以下にまで低減され、特にθ２＝６０°で１０ｐｐｂ／Ｋ２程度にまで低減された。θ２＝３５°のときの比較例の３次周波数温度係数は－１３０ｐｐｔ／Ｋ３程度であるのに対して、第３実施例（θ１＝３５°）の３次周波数温度係数の絶対値は、２０°≦θ２≦６０°の範囲で１２０ｐｐｔ／Ｋ３以下にまで低減され、特にθ２＝６０°で１００ｐｐｔ／Ｋ３程度にまで低減された。
　以上、本発明の例示的な実施形態について説明した。本発明の一態様によれば、共振子は、互いに対向する第１面及び第２面を有する圧電層と、圧電層の第１面の側に設けられたＩＤＴ電極と、圧電層の第２面の側に設けられた高音速基板と、を備え、圧電層は、結晶Ｙ軸に直交する面を結晶Ｘ軸回りに回転させたカット角の水晶からなり、圧電層の結晶Ｘ軸に対して９０°±１０°となる伝搬方向において、高音速基板の音速は圧電層の音速よりも速く、ＩＤＴ電極は、伝搬方向に並ぶ複数の電極指を有する櫛形電極を有する。
　これによれば、単層の圧電層からなる共振子に比べて、少なくとも３次周波数温度係数及びＱ値に優れる共振子が提供される。さらに、圧電層の水晶の結晶Ｙ軸に直交する面を結晶Ｘ軸回りに回転させる回転角を適宜選択することで、電気機械結合係数、ＳＡＷ音速、１次周波数温度係数及び２次周波数温度係数のいずれかを改善することができる。
　本発明の一態様によれば、圧電層は、結晶Ｙ軸に直交する面を、結晶Ｘ軸の正方向側から視て反時計回りに－５９°±１０°の範囲で回転させたカット角の水晶からなってもよい。
　これによれば、単層の圧電層からなる共振子に比べて、さらにＳＡＷ音速及び電気機械結合係数に優れる共振子が提供される。
　本発明の一態様によれば、圧電層は、結晶Ｙ軸に直交する面を、結晶Ｘ軸の正方向側から視て反時計回りに３５°±１０°の範囲で回転させたカット角の水晶からなってもよい。
　本発明の一態様によれば、圧電層と高音速基板とは、直接積層されてもよい。
　本発明の一態様によれば、圧電層と高音速基板との間に設けられた低音速層をさらに有し、伝搬方向において、低音速層の音速は圧電層の音速以下であってもよい。
　本発明の一態様によれば、ＩＤＴ電極の電極周期で定まる弾性波の波長をλとしたとき、低音速層の厚みは、０．１λ以上０．５λ以下の範囲に設定されてもよい。
　本発明の一態様によれば、低音速層の厚みは、高音速基板の厚みの１００分の１以下であってもよい。
　本発明の一態様によれば、ＩＤＴ電極の電極周期で定まる弾性波の波長をλとしたとき、圧電層の厚みは、０．０５λ以上０．５λ以下の範囲に設定されてもよい。
　本発明の一態様によれば、圧電層の厚みは、高音速基板の厚みの１００分の１以下であってもよい。
　本発明の一態様によれば、伝搬方向において、高音速基板の音速は、圧電層の音速に比べて２０％以上速くてもよい。
　本発明の一態様によれば、伝搬方向において、高音速基板の音速は、圧電層の音速に比べて４０％以上速くてもよい。
　本発明の一態様によれば、高音速基板は、シリコン、シリコン化合物及びアルミニウム化合物のいずれかからなってもよい。
　本発明の一態様によれば、高音速基板は、シリコンの単結晶からなってもよい。
　本発明の一態様によれば、高音速基板は、結晶Ｙ軸に直交する面を、結晶Ｘ軸の正方向側から視て反時計回りに０°以上６０°以下の範囲で回転させたカット角の水晶からなり、圧電層と高音速基板とは、互いの結晶Ｘ軸が平行となるように設けられてもよい。
　本発明の一態様によれば、ＩＤＴ電極は、アルミニウムを主成分とする金属からなってもよい。
　以上説明したように、本発明の一態様によれば、周波数温度特性又は共振特性に優れる共振子を提供することができる。
　なお、以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。本発明は、その趣旨を逸脱することなく、変更／改良され得るとともに、本発明にはその等価物も含まれる。すなわち、実施形態及び／又は変形例に当業者が適宜設計変更を加えたものも、本発明の特徴を備えている限り、本発明の範囲に包含される。例えば、実施形態及び／又は変形例が備える各要素及びその配置、材料、条件、形状、サイズなどは、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。また、実施形態及び変形例は例示であり、異なる実施形態及び／又は変形例で示した構成の部分的な置換又は組み合わせが可能であることは言うまでもなく、これらも本発明の特徴を含む限り本発明の範囲に包含される。
１…高音速基板、
３…低音速層、
５…圧電層、
７…ＩＤＴ電極、
７ｂ…電極指、
９…反射器、
１０…共振子、
ＰＤ…伝搬方向、

Claims (15)

  1. 　互いに対向する第１面及び第２面を有する圧電層と、
    　前記圧電層の前記第１面の側に設けられたＩＤＴ電極と、
    　前記圧電層の前記第２面の側に設けられた高音速基板と、
    　を備え、
    　前記圧電層は、結晶Ｙ軸に直交する面を結晶Ｘ軸回りに回転させたカット角の水晶からなり、
    　前記圧電層の結晶Ｘ軸に対して９０°±１０°となる伝搬方向において、前記高音速基板の音速は前記圧電層の音速よりも速く、
    　前記ＩＤＴ電極は、前記伝搬方向に並ぶ複数の電極指を有する櫛形電極を有する、
    　共振子。
  2. 　前記圧電層は、結晶Ｙ軸に直交する面を、結晶Ｘ軸の正方向側から視て反時計回りに－５９°±１０°の範囲で回転させたカット角の水晶からなる、
    　請求項１に記載の共振子。
  3. 　前記圧電層は、結晶Ｙ軸に直交する面を、結晶Ｘ軸の正方向側から視て反時計回りに３５°±１０°の範囲で回転させたカット角の水晶からなる、
    　請求項１に記載の共振子。
  4. 　前記圧電層と前記高音速基板とは、直接積層されている、
    　請求項１から３のいずれか１項に記載の共振子。
  5. 　前記圧電層と前記高音速基板との間に設けられた低音速層をさらに有し、
    　前記伝搬方向において、前記低音速層の音速は前記圧電層の音速以下である、
    　請求項１から３のいずれか１項に記載の共振子。
  6. 　前記ＩＤＴ電極の電極周期で定まる弾性波の波長をλとしたとき、
    　前記低音速層の厚みは、０．１λ以上０．５λ以下の範囲に設定される、
    　請求項５に記載の共振子。
  7. 　前記低音速層の厚みは、前記高音速基板の厚みの１００分の１以下である、
    　請求項５又は６に記載の共振子。
  8. 　前記ＩＤＴ電極の電極周期で定まる弾性波の波長をλとしたとき、
    　前記圧電層の厚みは、０．０５λ以上０．５λ以下の範囲に設定される、
    　請求項１から７のいずれか１項に記載の共振子。
  9. 　前記圧電層の厚みは、前記高音速基板の厚みの１００分の１以下である、
    　請求項１から８のいずれか１項に記載の共振子。
  10. 　前記伝搬方向において、前記高音速基板の音速は、前記圧電層の音速に比べて２０％以上速い、
    　請求項１から９のいずれか１項に記載の共振子。
  11. 　前記伝搬方向において、前記高音速基板の音速は、前記圧電層の音速に比べて４０％以上速い、
    　請求項１０に記載の共振子。
  12. 　前記高音速基板は、シリコン、シリコン化合物及びアルミニウム化合物のいずれかからなる、
    　請求項１から１１のいずれか１項に記載の共振子。
  13. 　前記高音速基板は、シリコンの単結晶からなる、
    　請求項１から１２のいずれか１項に記載の共振子。
  14. 　前記高音速基板は、結晶Ｙ軸に直交する面を、結晶Ｘ軸の正方向側から視て反時計回りに０°以上６０°以下の範囲で回転させたカット角の水晶からなり、
    　前記圧電層と前記高音速基板とは、互いの結晶Ｘ軸が平行となるように設けられる、
    　請求項１から１２のいずれか１項に記載の共振子。
  15. 　前記ＩＤＴ電極は、アルミニウムを主成分とする金属からなる、
    　請求項１から１４のいずれか１項に記載の共振子。
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